PBX炸药含各向异性损伤的黏弹性统计微裂纹本构模型初步研究

建立含损伤本构模型是研究炸药动态力学响应规律的基础。基于PBX炸药材料的宏观黏弹性特征和细观上微裂纹面的方向性,建立了含各向异性损伤的黏弹性统计微裂纹(Aniso-Visco SCRAM)本构模型,简化后得到单轴应力加载下的本构方程。利用数值计算程序,以PBX9501为例,分析了微裂纹扩展的各向异性、PBX炸药破坏强度及临界应变的拉压异性和应变率相关性,考察了微裂纹数密度、初始微裂纹尺寸、微裂纹面摩擦系数及断裂表面能4个主要参数的敏感性及影响规律。结果表明,它们对微裂纹的扩展演化有较大影响,进而导致材料表现出不同的力学响应。     

脆性断裂统计理论

本文试图用统计方法,将金属脆性断裂的微观过程与宏观过程结合起来,把断裂理论建立于微裂纹发展动力学的统计基础上。脆性断裂实质上是在小的范性变形过程中微裂纹成核长大的非平衡统计过程和单个主裂纹的传播过程。本文导出了描述这种非平衡统计过程的微分积分方程,并从位错机理出发研究了微裂纹动力学,从而解出了微裂纹的分布函数,求出了金属试样的断裂几率,进而导出了延伸率、断裂强度、范性功、裂纹扩展力、断裂韧性、临界裂纹长度、范性-脆性转变温度以及它们的统计偏差与其它有关物理量之间的函数关系。 关键词：     

金属的断裂韧性

本文根据微裂纹的随机演化及其长大需要堆积位错群进一步滑移以将领首位错挤入微裂纹中的机理,导出了微裂纹扩展力和断裂韧性及其统计分布函数,讨论了影响因素。 关键词：     

基于孔洞体胞模型铸造镁合金ML308的本构方程

铸造镁合金不可避免地包含许多微孔洞,这些微孔洞在材料的后续加工及服役过程中将发生演化,并对材料的力学行为产生重要影响.基于球形孔洞体胞模型,提出微孔洞长大及形核方程,它们构成微孔洞的演化方程.根据孔洞演化将造成材料性质弱化的物理机制,将微孔洞演化以弱化函数的形式引入到非经典弹塑性本构方程,得到考虑孔洞演化的铸造镁合金弹塑性本构方程.发展与本构方程相应的有限元数值分析程序,用其模拟了铸造镁合金ML308的微孔洞演化及力学行为,计算结果与实验结果符合较好. 关键词： 铸造镁合金 孔洞体胞模型 孔洞演化方程 本构方程     

铝锂合金材料损伤演化方程和层裂准则的研究

 通过平板撞击实验对铝锂合金层裂现象进行实验研究。以细观统计和唯象分析相结合的思想,提出了一种新的微孔洞型损伤演化方程,方程同时计及了孔洞长大、成核以及材料可压缩性的耦合效应对损伤演化的影响。在一维应变波模拟程序中嵌入考虑损伤演化影响的铝锂合金本构方程和状态方程,模拟平板撞击过程靶板自由面质点速度时程曲线,并与实验曲线相对比,得到了铝锂合金材料损伤演化方程及其层裂准则的相关参数。     

均聚物结晶与熔融化的稳态和亚稳态转变统计理论

基于多重微晶网络结构模型和分子分凝机制建立了高分子晶体的微晶核 和微晶粒 高分子链组模型 ,推导出了平衡态下高分子预结晶动力学方程 ,计算出了平衡态下不同尺寸微晶核 和微晶粒 高分子链组的几率分布函数 .建立了非稳态下不同尺寸的微晶核 高分子链组的成核演化方程和微晶粒 高分子链组的增长演化方程 ,求解一般状态下的两个演化方程后 ,得到了不同时间和不同尺寸的微晶核 和微晶粒 高分子链组的一般密度分布函数 .最后根据成核自由能和增长自由能对晶核和晶粒的尺寸大小的依赖性 ,提出了微晶核 高分子链组和微晶粒 高分子链组存在稳定性的热力学条件和动力学条件 ,成功地表征为三个特征区 (稳态、亚稳态和非稳态 )     

蒸汽冷凝过程中团簇及微液滴尺寸分布演化

将瞬态团簇尺寸分布模型引入蒸汽冷凝体系,通过求解描述团簇增长的动力学方程,模拟研究了特定冷凝条件下团簇及微小液滴尺寸分布的演化特征。模型结果表明,核化过程中,团簇/微液滴尺寸分布迅速从单调递减式分布转变为近似正态分布特征。随着时间延长,尺寸分布的峰值向团簇/微液滴尺寸增加的方向移动。在壁面冷凝过程中,核化生成的最小液滴也具有一定分布,进一步完善了经典冷凝理论中对初始冷凝过程液滴分布和演化过程的描述。同时模拟结果与文献报道的微米级液滴生长演化趋势相似,表明较大尺寸液滴分布特征是核化阶段团簇/微液滴尺寸分布特征进一步演化的结果,揭示了冷凝过程液滴尺寸分布演化的微观物理本质。     

材料层裂研究的主要进展

层裂是一种重要的动态损伤破坏现象,由物质界面的反射稀疏波相互作用引起,其细观尺度上的物理机制是微损伤(即微孔洞和微裂纹)的成核、生长和汇合。围绕美国物理学会George E. Duvall冲击压缩科学奖的3位获奖者Grady、Curran和Johnson的相关工作,概述层裂现象的一些主要研究进展,简要介绍层裂现象的研究历史,以期更深刻地理解那些著名的层裂物理模型和实验技术。此外,报道了最近取得的最新研究成果,阐述了冻结不同损伤水平状态的双层靶层裂实验技术与Hopkinson压杆共通的工作原理。针对微损伤成核和生长断裂破碎模型NAG/FRAG在数学上的不一致性和在物理上的不完备性,指出对于延性材料的层裂过程,只要微孔洞成核的累积数目密度满足尺寸的指数分布、微孔洞半径的生长速度与半径呈线性关系,就能够得到解析形式的损伤度演化方程,该修正模型MNAG在数学上是一致的,在物理上是完备的;对于白以龙等建立的欧拉形式的微损伤数目守恒方程,指出计算损伤度不必显式求解该方程,损伤度的表达式一般通过拉格朗日形式的微损伤数目守恒方程获得;针对损伤度函数模型或封加坡模型,以更加简洁的方法进行了推导。     

基于等效弹性模量的微裂纹-超声波非线性作用多阶段模型

提出了一种基于等效弹性模量的微裂纹-超声波非线性作用多阶段模型.该模型将微裂纹微观层面的界面几何特征和宏观层面的界面相对运动统一为介观单元弹性模量的变化,利用等效弹性模量表征损伤区域的"应力-应变",然后利用分段函数来描述微裂纹-超声波非线性相互作用,最后通过有限元仿真对波动方程进行求解,验证了模型的有效性,获得了超声波在经过微裂纹后传播的非线性波动规律.仿真结果表明本文提出的模型相比于双线性刚度模型、接触面模型,能更好地体现一个谐波周期内超声波经过微裂纹损伤区域时波形会发生畸变.同时,仿真实验还分析了裂纹倾角、裂纹长度和超声波激励幅值对超声波经过微裂纹后产生的二次和三次谐波的幅值的影响.最后,对比分析了该模型的仿真计算结果与实验测试结果,表明本文提出的多阶段模型与实验测试均能较好地体现微裂纹-超声波非线性作用产生的二次谐波信号,且结果基本一致,验证了模型的有效性.该模型为开展超声波非线性效应定量检测微裂纹提供了一种新的仿真手段.     

晶体相场法模拟微裂纹的扩展行为

用晶体相场模型模拟预变形条件下的单轴拉伸的裂纹扩展行为.展示出裂纹扩展过程的演化图。从裂纹演化图可以清楚的观察到,随着应变量的增加,裂纹长度增加,裂纹呈钝化-扩展-钝化的扩展模式,裂纹形状为锯齿形:随着预变形量的增加,解理方式的裂纹扩展减弱,转变成锯齿形状的裂纹扩展方式。     

高温高应变率下混凝土材料的损伤演化方程

采用?74 mm大口径分离式霍普金森压杆(SHPB)对不同温度(20、200、400℃)下的C45混凝土材料进行动态力学性能实验,得到了不同温度、不同应变率下混凝土材料的应力-应变曲线。实验结果表明:在20~400℃温度范围内,混凝土材料具有温度硬化和应变率硬化现象。基于上述实验数据给出了损伤变量关于塑性应变的关系式,并通过相关实验数据确定了不同温度、不同应变率下损伤演化方程的材料参数。将该损伤演化方程应用于混凝土材料的本构关系中,预测结果与实验数据具有较好的一致性,证明了所提出的高温、高应变率下混凝土材料损伤演化方程的合理性。     

蒸养再生骨料混凝土断裂声发射特征*

为研究蒸汽养护对再生骨料混凝土断裂过程损伤特征的影响,开展了再生骨料混凝土三点弯断裂试验,并采用声发射技术对损伤过程进行了监测分析。结果表明,蒸养降低了再生骨料混凝土断裂峰值荷载,断裂过程中声发射信号强度低于标准养护试件。声发射振铃计数、撞击数、b值等参数能够准确反映再生骨料混凝土断裂过程损伤演变规律。加载上升阶段,声发射信号活动性很低,试件内以微裂纹的形成为主,加载至荷载峰值,声发射振铃计数累计值增长呈现平缓阶段,混凝土内微裂缝的聚合会持续一段时间。峰值后荷载迅速降低阶段声发射信号最活跃,为裂缝迅速发展的过程。峰后荷载缓慢降低的过程,声发射信号活跃性降低,裂缝扩展至试件顶部区域,主要是宏观裂缝的开展,不再产生新的裂缝。     

Statistics of microcracks in heterogeneous materials (granites)

The amplitude distributions of acoustic emission signals from granites under compressive stresses are expanded into a power series of gamma functions. It is established that the mean amplitude of each term in the expansion falls in the range of acoustic emission signals corresponding to the hierarchical levels of the crack formation in loaded granites. On this basis, a model of crack formation is proposed according to which the size distribution of microcracks in granites under load rapidly attains a thermodynamically optimum form for each hierarchical level of crack formation. The results of calculating the mean sizes and evolution of microcracks at each hierarchical level are in good agreement with the experimental data.     

熔石英再沉积层结构的纳米级表征和杂质分析

利用原子力显微镜观察熔石英不同蚀刻时间的表面形貌,结合二次离子质谱分析,研究了熔石英的再沉积层结构和杂质分布。结果表明,熔石英表面深度10nm的再沉积层内存在大量微裂纹和杂质,经蚀刻展开形成nm级划痕和坑点,其分布随着深度增加呈指数衰减。根据nm级划痕密度、宽深比随蚀刻深度变化的规律,估算出再沉积层厚度,估算结果与二次离子质谱测得的杂质嵌入深度基本一致。杂质元素嵌入深度与抛光微裂纹分布特征的关联性表明,杂质很有可能藏匿在抛光微裂纹中。     

脆性断裂的统计理论

本文试图从位错理论出发来探索晶体脆性断裂的统计理论。脆性断裂过程,实质上是微裂缝在极小的范性形变过程中形成长大和传播的随机过程。本文导出了描述这种随机过程的微分方程,利用微裂缝形成长大的位错机理,解出了微裂缝大小的统计分布函数。文中给出了范性形变、加工硬化和活动位错源数目与微裂缝数目和大小之间的函数关系。过去研究脆性断裂时,范性变形只是含糊地包括在有效表面能之内,而加工硬化和活动位错源数目则一向被略去。从微裂缝大小的统计分布函数和微裂缝的传播条件,导出了强度的统计分布函数,从而求得了脆性断裂判别式、脆性断裂强度及脆性-范性转变温度。     

Phonon spectrum and related thermodynamic properties of microcrack in bcc-Fe

The phonon spectrum and the related thermodynamic properties of microcracks in bcc-Fe are studied with the recursion method by using the Finnis--Sinclair (F--S) N-body potential. The initial configuration of the microcracks is established from an anisotropic linear elastic solution and relaxed to an equilibrium by molecular dynamics method. It is shown that the local vibrational density of states of the atoms near a crack tip is considerably different from the bulk phonon spectrum, which is closely associated with the local stress field around the crack tip; meanwhile, the local vibrational energies of atoms near the crack tip are higher than those of atoms in a perfect crystal. These results imply that the crack tip zone is in a complex stress state and closely related to the structure evolution of cracks. It is also found that the phonon excitation is a kind of local effect induced by microcracks. In addition, the microcrack system has a higher vibrational entropy, which reflects the character of phonon spectrum related to the stress field induced by cracks.     

制导光纤强度的依赖关系

分析研究制导高强度光纤强度8个方面的依赖关系，指出光纤强度降低的关键原因是光纤中存在着缺陷即表面微裂纹。因此，必须从制造工艺、制造环境入手，严格控制减少微裂纹方能制造出过2％筛选应变的高强度光纤。     

The evolution equation for the radius of a premixed flame ball in fractional diffusive media

The evolution equation for the radius of an isolated premixed flame ball is derived in the framework of a new method that strongly simplifies previous ones and highlights that they are based on Gaussian modelling of diffusion. The main idea is to split the flame ball in two components: the inner kernel, which is driven by a Poisson-type equation with a general polynomial forcing term, and the outer part, which is driven by a generalized diffusion process valid for fractional diffusive media. The evolution equation for the radius of the flame ball is finally determined as the evolution equation for the interface that matches the solution of the inner spherical kernel and the solution of the outer diffusive part and it emerges to be a nonlinear fractional differential equation. The effects of fractional diffusion on stability of solution are also picked out.     

一个描述金融投资项目演化的量子力学状态方程

本文提出了一个描述金融投资项目演化的量子力学状态方程,该方程的参数比较好地模拟了金融市场的基本要素,包括投资(输入)、资产损耗(缩水)、资产增益、和收益(输出)等,方程中的量子力学算符也能够反映该项目的动力学过程与特征,所以能代表一类金融投资项目(其状态用Dirac符号表示)在市场中的演化模式.通过引入纠缠态表象得出了该方程的量子解(算符之和形式),该量子解给出了初态与终态的联系,也就给出了投资项目的动态过程.作为例子,求出单一投资项目在金融市场中的演化,不但得出了符合市场演化趋势的解,而且提出了二项-负二项纠缠态.在推导过程中,充分利用了Dirac符号和有序算符内的积分技术(IWOP).